Theo truyền thuyết, thí nghiệm đầu tiên cho thấy tất cả các vật thể đều rơi với tốc độ như nhau, không phân biệt khối lượng, được thực hiện bởi Galileo Galilei trên đỉnh Tháp nghiêng Pisa. Bất kỳ hai vật thể rơi trong trường hấp dẫn, trong trường hợp không có (hoặc bỏ qua) sức cản không khí, sẽ tăng tốc xuống mặt đất với tốc độ như nhau. Điều này sau đó đã được mã hóa như là một phần của cuộc điều tra của Newton về vấn đề này. (Những hình ảnh đẹp)

Các nhà khoa học thừa nhận, thật xấu hổ, chúng ta không biết lực hấp dẫn mạnh đến mức nào

Mọi lý thuyết vật lý đều có hằng số trong đó. Hằng số hấp dẫn là không chắc chắn đáng chú ý.

Khi chúng tôi lần đầu tiên bắt đầu xây dựng các định luật vật lý, chúng tôi đã làm như vậy theo kinh nghiệm: thông qua các thí nghiệm. Thả một quả bóng ra khỏi một tòa tháp, như Galileo có thể đã làm, và bạn có thể đo cả khoảng cách nó rơi và thời gian để chạm đất. Thả một con lắc và bạn có thể tìm thấy mối quan hệ giữa chiều dài của con lắc và lượng thời gian cần thiết để dao động. Nếu bạn làm điều này trong một số khoảng cách, độ dài và thời gian, bạn sẽ thấy một mối quan hệ xuất hiện: khoảng cách của một vật rơi tỷ lệ thuận với bình phương thời gian; chu kì của con lắc tỷ lệ với căn bậc hai chiều dài của con lắc.

Nhưng để biến những tỷ lệ đó thành một dấu bằng, bạn cần phải có giá trị không đổi đó.

Quỹ đạo của các hành tinh trong hệ mặt trời bên trong không chính xác là hình tròn, nhưng chúng khá gần nhau, với sao Thủy và sao Hỏa có sự khởi hành lớn nhất và hình elip lớn nhất. Vào giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học bắt đầu nhận thấy sự ra đi trong chuyển động của Sao Thủy từ những dự đoán về lực hấp dẫn của Newton, một sự ra đi nhẹ chỉ được giải thích bởi Thuyết tương đối rộng trong thế kỷ 20. Định luật hấp dẫn tương tự và hằng số mô tả các tác động của trọng lực trên tất cả các quy mô, từ Trái đất đến vũ trụ. (NASA / JPL)

Trong các ví dụ này, cũng như nhiều ví dụ khác, hằng số tỷ lệ này có liên quan đến G, hằng số hấp dẫn. Mặt trăng quay quanh Trái đất, các hành tinh quay quanh Mặt trời, ánh sáng bị bẻ cong do thấu kính hấp dẫn và sao chổi mất năng lượng khi chúng thoát khỏi Hệ Mặt trời theo tỷ lệ tương ứng với G. Ngay cả trước khi Newton xuất hiện, vào những năm 1640 và 1650, các nhà khoa học Ý Francesco Grimaldi và Giovanni Riccioli đã thực hiện các tính toán đầu tiên về hằng số hấp dẫn, nghĩa là đây là hằng số cơ bản đầu tiên được xác định: ngay cả trước khi xác định tốc độ ánh sáng của Ole Rømer năm 1676.

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton đã được thay thế bởi thuyết tương đối rộng của Einstein, nhưng dựa vào khái niệm hành động tức thời (lực) ở khoảng cách xa, và vô cùng đơn giản. Hằng số hấp dẫn trong phương trình này, G, vẫn chỉ được biết đến tương đối kém. (WIKIMEDIA CAM KẾT NGƯỜI DÙNG DENNIS NILbucks)

Khi bạn lấy bất kỳ hai khối lượng nào trong Vũ trụ và đặt chúng gần nhau, chúng sẽ thu hút. Theo định luật Newton, có giá trị dưới tất cả các điều kiện ngoại trừ khối lượng cực đoan nhất (đối với khối lượng lớn) và khoảng cách (đối với khoảng cách nhỏ) trong tất cả tự nhiên, lực hấp dẫn có liên quan đến hai khối lượng, khoảng cách giữa chúng và G, hằng số hấp dẫn. Trong nhiều thế kỷ, chúng tôi đã tinh chỉnh các phép đo của chúng tôi về rất nhiều hằng số cơ bản đến độ chính xác cực lớn. Tốc độ của ánh sáng, c, được biết chính xác: 299,792,458 m / s. Hằng số Planck,, chi phối các tương tác lượng tử, có giá trị 1.05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, với độ không đảm bảo là ± 0,000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Nhưng G? Đó là một câu chuyện hoàn toàn khác.

Cho dù người ta sử dụng công thức hấp dẫn của Newton hay Einstein, sức mạnh của lực được xác định một phần bởi giá trị của hằng số hấp dẫn, G, có giá trị phải được đo bằng thực nghiệm và không thể lấy được từ bất kỳ đại lượng nào khác. (ESO / L. CALÇADA)

Vào những năm 1930, G được đo là 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², sau đó được tinh chế vào những năm 1940 thành 6.673 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², bởi cả nhà khoa học Paul Heyl. Như bạn có thể mong đợi, các giá trị ngày càng tốt hơn theo thời gian, với sự không chắc chắn giảm từ 0,1% xuống 0,04% xuống chỉ còn 0,012% vào cuối những năm 1990, chủ yếu nhờ vào công việc của Barry Taylor tại NIST.

Trên thực tế, nếu bạn lấy ra một bản sao cũ của tập sách Nhóm dữ liệu hạt, nơi họ đưa ra các hằng số cơ bản, bạn có thể tìm thấy một giá trị cho G trong đó có vẻ tốt: 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², với độ không đảm bảo chỉ 0,00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Các giá trị của các hằng số cơ bản, như chúng đã được biết đến vào năm 1998, và được xuất bản trong tập sách năm 1998 của Nhóm dữ liệu hạt. (PDG, 1998, DỰA TRÊN ER COHEN VÀ BN TAYLOR, REV. PHYS. 59, 1121 (1987))

Nhưng rồi một chuyện buồn cười đã xảy ra.

Cuối năm đó, các thí nghiệm được thực hiện chỉ ra một giá trị cao không nhất quán với các giá trị đó: 6.674 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Nhiều nhóm, sử dụng các phương pháp khác nhau, đã nhận được các giá trị cho G xung đột với nhau ở mức 0,15%, gấp hơn mười lần so với các bất ổn được báo cáo trước đó.

Làm sao chuyện này lại xảy ra?

Thí nghiệm ban đầu để đo chính xác G, được thiết kế và xuất bản bởi Henry Cavendish, dựa trên nguyên tắc cân bằng xoắn sẽ xoắn và di chuyển dựa trên lực hấp dẫn của một khối lượng được đo gần đó. (H. CAVENDISH, GIAO DỊCH TRIẾT HỌC CỦA XÃ HỘI HOÀNG LONDON, (PHẦN II) 88 P.469 điện526 (21 tháng 6 năm 1798))

Phép đo chính xác đầu tiên của hằng số hấp dẫn, không phụ thuộc vào các ẩn số khác (như khối lượng Mặt trời hay khối lượng Trái đất), chỉ xuất hiện trong các thí nghiệm của Henry Cavendish vào cuối thế kỷ 18. Cavendish đã phát triển một thí nghiệm được gọi là cân bằng xoắn, trong đó một thanh tạ nhỏ được treo bằng dây, cân bằng hoàn hảo. Gần mỗi khối ở hai đầu là hai khối lớn hơn, sẽ thu hút một cách hấp dẫn các khối nhỏ. Lượng xoắn mà thanh tạ thu nhỏ trải qua, miễn là khối lượng và khoảng cách đã biết, sẽ cho phép chúng ta đo G, hằng số hấp dẫn, bằng thực nghiệm.

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong vật lý trong hơn 200 năm qua, cùng một nguyên tắc được sử dụng trong thí nghiệm Cavendish ban đầu vẫn tiếp tục được sử dụng ngày nay trong các phép đo của G. Có, kể từ năm 2018, không có kỹ thuật đo lường hoặc thiết lập thử nghiệm nào mang lại kết quả vượt trội . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / CỘNG ĐỒNG WIKIMEDIA)

Người ta nghi ngờ rằng một trong những yếu tố chính trong trò chơi là yếu tố tâm lý nổi tiếng về sự thiên vị xác nhận. Nếu tất cả các đồng nghiệp của bạn đang có số đo như 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², bạn có thể mong đợi một cách hợp lý để có được thứ gì đó như 6,67224 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², hoặc 6,67293 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², nhưng nếu bạn có thứ gì đó như 6.67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², có lẽ bạn sẽ cho rằng mình đã làm gì đó sai.

Bạn sẽ tìm kiếm các nguồn lỗi có thể, cho đến khi bạn tìm thấy một lỗi. Và bạn sẽ thực hiện thử nghiệm nhiều lần, cho đến khi bạn có được điều gì đó hợp lý: thứ gì đó ít nhất phù hợp với 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Năm 1997, nhóm của Bagley và Luther đã thực hiện một thí nghiệm cân bằng xoắn cho kết quả là 6,674 x 10 ^ -11 N / kg² / m2, được thực hiện đủ nghiêm túc để nghi ngờ về tầm quan trọng được báo cáo trước đây của G. (CỘNG ĐỒNG DBACHMANN / WIKIMEDIA)

Đây là lý do tại sao nó là một cú sốc như vậy, vào năm 1998, khi một nhóm rất cẩn thận có kết quả khác biệt 0,15% so với kết quả trước đó, khi các lỗi trên các kết quả trước đó được cho là nhiều hơn 10 lần sự khác biệt đó NIST đã trả lời bằng cách loại bỏ các yếu tố không chắc chắn đã nêu trước đó và các giá trị đột nhiên bị cắt cụt để đưa ra tối đa bốn con số quan trọng, với độ không đảm bảo lớn hơn nhiều.

Cân bằng xoắn và con lắc xoắn, cả hai đều lấy cảm hứng từ thí nghiệm Cavendish ban đầu, tiếp tục dẫn đầu trong các phép đo của G, vượt xa kỹ thuật thí nghiệm giao thoa nguyên tử gần đây. Trên thực tế, chỉ trong tuần trước, một nhóm từ Trung Quốc đã tuyên bố có được số đo G chính xác nhất từ ​​hai phép đo độc lập: 6.674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² và 6.674484 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², với độ không đảm bảo chỉ 11 phần triệu trên mỗi phần.

Hai phương pháp thiết lập thử nghiệm được công bố vào cuối tháng 8 năm 2018, trong Tự nhiên, đã mang lại các phép đo G chính xác nhất (được tuyên bố) cho đến nay. (Q. LIU ET AL., THIÊN NHIÊN SỐ 560, 582 Ảo588 (2018))

Các giá trị này có thể đồng ý với nhau trong hai độ lệch chuẩn, nhưng chúng không đồng ý với các phép đo khác được thực hiện bởi các đội khác trong 15 năm qua, dao động từ cao tới 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² và thấp tới 6,6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Trong khi các hằng số cơ bản khác được biết là có độ dài từ 8 đến 14 chữ số có nghĩa, độ không đảm bảo cao hơn từ hàng nghìn đến hàng tỷ lần khi nói đến G.

Quá trình chuyển đổi nguyên tử từ quỹ đạo 6S, Delta_f1, là quá trình chuyển đổi xác định đồng hồ, giây và tốc độ ánh sáng. Lưu ý rằng hằng số lượng tử cơ bản mô tả Vũ trụ của chúng ta được biết đến với độ chính xác vượt trội gấp hàng nghìn lần so với G, hằng số đầu tiên từng được đo. (A. FISCHER ET AL., CUỘC HÀNH TRÌNH CỦA XÃ HỘI CHỦ NGH ACA (2013))

Hằng số hấp dẫn của Vũ trụ, G, là hằng số đầu tiên được đo. Tuy nhiên, hơn 350 năm sau khi chúng tôi lần đầu tiên xác định giá trị của nó, thật xấu hổ khi biết đến mức độ kém, so với tất cả các hằng số khác, kiến ​​thức của chúng tôi về điều này là. Chúng tôi sử dụng hằng số này trong một loạt các phép đo và tính toán, từ sóng hấp dẫn đến thời gian xung đến sự giãn nở của Vũ trụ. Tuy nhiên, khả năng của chúng tôi để xác định nó bắt nguồn từ các phép đo quy mô nhỏ được thực hiện ngay tại đây trên Trái đất. Các nguồn không chắc chắn nhỏ nhất, từ mật độ vật liệu đến rung động địa chấn trên toàn cầu, có thể len ​​lỏi vào nỗ lực của chúng tôi để xác định nó. Cho đến khi chúng ta có thể làm tốt hơn, sẽ có một sự không chắc chắn vốn có, khó chịu lớn ở bất cứ nơi nào hiện tượng hấp dẫn là quan trọng. Đó là năm 2018 và chúng ta vẫn chưa biết lực hấp dẫn thực sự mạnh đến mức nào.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.